JP2012517075A - 薄型金属空気電池 - Google Patents

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Abstract

薄型の金属空気電池について記載する。電池は筐体を有しない。

Description

本発明は、空気が第１電極（通常は正極）に通され、第２電極（通常は負極）が空気からの酸素で酸化される、金属空気電池に関する。
電池又は電気化学セルは、一般的に用いられる電気エネルギー供給源である。金属空気電池のような電池は、典型的にはアノードと呼ばれる負極、及び典型的にはカソードと呼ばれる正極を含む。負極は活物質を酸化することができ、正極は還元され得る活物質を消費することができる。負極の活物質は、正極の活物質を還元することができる。
装置中で電池が電気エネルギー源として用いられるとき、装置を通じて電子が流れることを可能とするために、並びにそれぞれの酸化及び還元反応を生じさせて電力を供給するために、負極及び正極に対する電気的接触が作り出される。負極及び正極と接触する電解質はイオンを含んでおり、このイオンが電極間のセパレータを通じて流れることによって、放電の際に電池全体を通じて電荷の平衡が維持される。
亜鉛／空気電池などの一次金属空気電池は、比較的低運転費で高エネルギー密度を供給することができる。一次電池は、一度だけ（例えば、消尽まで）放電された後、廃棄されることを意味する（例えば、一次電池は充電されることを意図されていない）。一次電池については、例えば、Ｄａｖｉｄ Ｌｉｎｄｅｎ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，２ｄ ｅｄ．１９９５）に記載されている。
Ｄａｖｉｄ Ｌｉｎｄｅｎ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，２ｄ ｅｄ．１９９５）
医療用途（例えば、消化器診断センサ又は生体内センサ）などの多くの用途には、非常に小さな電池が求められる。非常に薄型の形態で利用可能ないくつかの一次電池が存在するが、低出力、低稼働性、低保存性、及び比較的高コストなどの物理的次元から生じる要因によって、その実質的な用途は限定される。例えば、電池を小型化すると、電池の筐体（例えば、ハウジング）は電池容積の比較的大きな割合を占めることがあり、活物質の内部容積が小さくなって、低エネルギー密度をもたらすことがある。更に、電池の筐体は、計算機、腕時計、又は補聴器で使用されるような小型ボタン電池では、製造コストのかなりの部分を占めることがある。
本発明は、電池に関し、また関連する構成要素、方法、及び電池を含む製品に関する。電池は、筐体のない電池の形態で共に積層された、負極層、セパレータ層、及び正極層を含む。電池は、薄型であり、比較的高エネルギー密度を有することができる。電池は、乾燥時は休止状態であり、電池を水（例えば、液体水、水を含む水溶液、及び／又は水蒸気）と接触させることにより作動して電流を供給することができる。電池は、水と接触している限り、又は電極が反応に利用できなくなるまで、電流を供給することができる。いくつかの実施形態では、電極は、水（例えば、水、水溶液）の漏れ検出又は水蒸気の水分検出などの水の検出に使用され、消費者製品（例えば、オムツ及び妊娠検査薬）に使用されることがある。消費者製品に使用されるとき、薄型電池に必要な容積は比較的小さいため（例えば、０．０１立方センチメートル程度）、消費者製品の寸法を小さくすることができる。
広くは、電池は、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムを含む負極と、導電性多孔質基材上に酸素還元触媒を含む正極と、負極と正極との間に配置された乾燥セパレータと、を含む。正極は、複数の酸素還元触媒を含んでもよい。乾燥セパレータは、親水性膜、親水性膜及び少なくとも１つの塩、又は塩を含む若しくは含まないイオン交換膜を含むことができる。負極、正極、及びセパレータは、共に接合されて層状電池を形成し、負極、正極、及びセパレータは、層状電池内で更に包蔵されていない。
一態様では、本発明は、負極、正極、及びセパレータの層状組立品を含む電池を特徴とする。組み立て時に、負極、正極、及びセパレータは、層状電池内で更に包蔵されない。
別の態様では、本発明は、電池の製造方法を特徴とする。
別の態様では、本発明は、電池を液体試料に接触させる工程を含む、電池の使用方法を特徴とする。
更に別の態様では、本発明は、電池を含む水分検出器又は漏れ検出器などの水検出器を含む消費者製品を特徴とする。
実施形態は、１つ以上の以下の特徴を含み得る。
いくつかの実施形態では、負極は多孔質である。負極（例えば、箔）は、穿孔状、織布、圧縮不織布、スクリーン状、網目状、多孔質、又は発泡体の形態であってもよい。負極は、セパレータと直接接触していてもよい。
いくつかの実施形態では、酸素還元触媒は、多孔質基材（例えば、穿孔多孔質基材）の片側又は両側に存在する。酸素還元触媒は、高表面積材料（例えば、カーボンブラック、グラファイト、炭、及び／又は活性炭）などの１つ以上の材料上に更に担持されてもよい。いくつかの実施形態では、酸素還元触媒は、多孔質層に直接浸透されている。
いくつかの実施形態では、親水性膜はイオン交換膜を含む。いくつかの実施形態では、塩は親水性膜に浸透されており、セパレータとして使用され得る。いくつかの実施形態では、親水性膜には、ポリエチレンオキシド、紙、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ゼラチン、デンプン、寒天、これらの複合物、これらのブレンド、及び／又はこれらの組み合わせが挙げられる。親水性膜は、独立フィルムであってもよく、及び／又は塩を含んでいてもよい。
いくつかの実施形態では、セパレータは、水不透過性材料で封止され得る端部を有する。いくつかの実施形態では、セパレータは、イオン交換膜を含み、水と接触すると固体ポリマー電解質を提供し得る。
いくつかの実施形態では、電池は、負極と、正極と、セパレータとの間に配置された接着剤を更に含む。接着剤は、セルロース系親水性材料を含むことができる。接着剤は、更に塩を含むことができる。
いくつかの実施形態では、電池は水でぬれると作動する。水には、液体水、水溶液、及び水蒸気が含まれ得る。電池は、水分検出器（例えば、水蒸気を検出するための湿度検出器）であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、セパレータは、塩化リチウム及び／又は酢酸カリウムなどの１つ以上の吸湿性材料又は吸湿性材料のブレンドを含む。吸湿性材料は水分を吸収することができ、電池は水分を含む周囲環境に曝露されると作動し得る。吸湿性材料は、異なる相対湿度値に反応するように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、電池は、液体水及び／又は水溶液を検出するための漏れ検出器である。
いくつかの実施形態では、電池を液体試料に接触させることで電解質を供給する。液体試料には、水（例えば、水、水を含む水溶液、水蒸気）が挙げられ得る。電池を液体試料に接触させることで、電池が液体試料と接触している間は維持可能な電流を供給することができる。電池は、使い捨て又は単回使用の装置に使用されてもよい。
消費者製品は、オムツ、妊娠検査薬、水分検出器及び／又は漏れ検出器などの水検出器であってもよい。水検出器は、無線通信装置を含むことができ、電池によって電力が供給され得る。水検出は、無線送信を介して遠隔で行うことができる。
実施形態では、以下の利点の１つ以上を挙げることができる。
電池は、比較的高エネルギー密度を有することができる。電池は、使い捨てかつ非毒性で、環境に優しいものであることができる。電池は、休止状態の場合、長い貯蔵寿命を有することができ、水と接触することにより必要時に作動し得る。いくつかの実施形態では、電池は複数回作動する。電池は、水と接触すると、水の検出及び電池の作動を同時に行うことができる。電池は、比較的薄くてもよく、筐体（例えば、ハウジング）を含まず、水検出、医療用途、及び家庭用途に適していてもよい。電池を非毒性材料で構成すると、生体対象（例えば、ヒト対象、動物対象）との接触を要する用途に使用することができる。更に、電池は、比較的容易及び／又は安価に製造され得る。
本発明の１つ以上の実施形態の詳細を添付図面及び以下の説明に示す。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明らかになる。
金属空気電池の一実施形態の概略断面図。 金属空気電池の電極の一実施形態の概略断面図。 金属空気電池の一実施形態の概略断面図。 金属空気電池の一実施形態の写真。 金属空気電池の一実施形態の定常状態の電圧対電流の測定値を示すグラフ。 金属空気電池の一実施形態の写真。 金属空気電池の一実施形態の電圧及び電流の測定値を示すグラフ。 金属空気電池の一実施形態により電力供給されたＬＥＤの写真。 金属空気電池の一実施形態により電力供給されたＬＥＤの写真。
図１を参照すると、３層構造を有する金属空気電池１０が示されている。３層には、いずれの筐体（例えば、ケース、ハウジング）も含まない、薄板の形態で共に積層された負極２、セパレータ４、及び正極６が含まれる。セパレータは、負極と正極との間に配置され、負極及び正極と直接接触することができる。電池は、休止状態であってもよく、セパレータ上にコーティングされた及び／又はセパレータに浸透した１つ以上の塩を含んでいてもよい。一方又は両方の電極層は穿孔状又は多孔質であってもよく、セパレータがぬれた状態及び／又はイオン伝導性になるように電池が水を含む試料（例えば、水、水を含む水溶液、水蒸気）と接触すると、電池が作動し得る。試料は、尿、唾液、汗、血液、血漿などの生物学的液体（例えば、生物により分泌された液体）を含むことができる。
電気化学反応
理論に束縛されるものではないが、亜鉛空気電池などの金属空気電池では、亜鉛は以下のように放電されると考えられる。
Ｚｎ→Ｚｎ２＋＋２電子（酸性溶液中）、
Ｚｎ＋２Ｈ２Ｏ→Ｚｎ（ＯＨ）２＋２Ｈ＋＋２電子（中性溶液中）、又は
Ｚｎ＋４ＯＨ−→Ｚｎ（ＯＨ）４ ２−＋２電子（アルカリ性溶液中）
酸化亜鉛及び水酸化亜鉛は両性である。特定の中性媒質では、不溶性の非導電不動態フィルムが亜鉛表面上に形成され、その結果、亜鉛イオンの移動が実質的に減少すると、負極の反応が終了することがあると考えられる。アニオンＡｎ−を含む塩の中性溶液を使用するとき、放電の化学反応式は以下によって表され得る。
Ｚｎ＋Ａｎ−→ＺｎＡ２−ｎ＋２電子（ｎは１、２、又は３である）
ＺｎＡ２−ｎは一般に不溶性であり得るが、いくつかの実施形態では、ＺｎＡ２−ｎの沈殿層はイオン伝導性を維持し、Ｚｎの負極はＡｎ−が溶液から亜鉛表面に移動する限り継続的に放電することができる。
正極では、酸素は以下のように還元され得る。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４電子→２Ｈ２Ｏ（酸性溶液中）、又は
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４電子→４ＯＨ−（中性若しくはアルカリ性溶液中）
酸素の還元は一般に亜鉛の放電より反応が遅いため、反応を加速させるには、多孔質の酸素拡散電極に１つ以上の触媒を分散させてもよい。
したがって、亜鉛空気セルにおける全電気化学反応は、以下のとおりである。
２Ｚｎ＋Ｏ２＋４Ｈ＋→２Ｚｎ２＋＋２Ｈ２Ｏ（酸性溶液中）、
２Ｚｎ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ→２Ｚｎ（ＯＨ）２（又は２ＺｎＯ・Ｈ２Ｏ）（中性溶液中）、又は
２Ｚｎ＋Ｏ２＋４ＯＨ−＋２Ｈ２Ｏ→２Ｚｎ（ＯＨ）４ ２−（アルカリ性溶液中）
アルカリ性溶液中の水酸化物の濃度及び電解質の可用性に従って、ＺｎＯ・Ｈ２Ｏは以下の反応式により沈殿することがある。
Ｚｎ（ＯＨ）４ ２−→ＺｎＯ・Ｈ２Ｏ＋２ＯＨ−
全反応は、中性溶液における反応に相似していてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、亜鉛空気系は電解質の性質に関係なく放電される。
いくつかの実施形態では、電池はアルミニウム空気化学反応を含む。アルミニウム空気セルの全反応は、以下のようであり得る。
４Ａｌ＋３Ｏ２＋１２Ｈ＋→４Ａｌ３＋＋６Ｈ２Ｏ（酸性溶液中）、
４Ａｌ＋３Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ→４Ａｌ（ＯＨ）３（中性溶液中）、又は
４Ａｌ＋３Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ＋４ＯＨ−→４Ａｌ（ＯＨ）４ −（アルカリ性溶液中）
アルカリ性媒質における反応は、中性媒質における反応に相似していてもよい。
いくつかの実施形態では、弱酸性溶液中（例えば、ｐＨ ４〜５）ではＺｎはＡｌより速く放電するが、塩基性溶液中（例えば、ｐＨ １０〜１２）ではＡｌはＺｎより速く放電する。短期及び／又は使い捨て用途では、気体発生はほとんど重要でないことがあり、電池性能に比較的影響を及ぼさないことがある。
いくつかの実施形態では、電池はマグネシウム空気化学反応を含む。マグネシウム空気セルの全反応は、中性又はアルカリ性溶液では以下のようであり得る。
負極：２Ｍｇ＋４ＯＨ−→２Ｍｇ（ＯＨ）２＋４ｅ−、
正極：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−、
全体：２Ｍｇ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ→２Ｍｇ（ＯＨ）２
ｐＨ １１以上を有するアルカリ性溶液では、Ｍｇ（ＯＨ）２が不活性の不動態フィルムとして残ることがあるため、放電反応はＭｇの表面に限定されることがある。
酸性溶液では、マグネシウム空気セルの全反応は、以下によって表され得る。
負極：２Ｍｇ→２Ｍｇ２＋＋４ｅ−、
正極：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ、
全体：２Ｍｇ＋Ｏ２＋４Ｈ＋→２Ｍｇ２＋＋２Ｈ２Ｏ
電池の構成要素、構造、及び使用方法
図１に示されるように、電池１０は、開口８（例えば、開口部８）が開けられた負極を含み、水溶液をセパレータに到達させることで電池を作動させることができる。負極は、水溶液が通過してセパレータに到達でき、継続して導電性であり得る限り、様々な形態をとることができる。例えば、負極は、シート、箔、又は層の形態であってもよい。負極２は、アルミニウム、亜鉛、及び／又はマグネシウムなどの、電解水溶液中で放出され得る活物質を含む。アルミニウム、亜鉛、及び／又はマグネシウムは、純粋なアルミニウム、亜鉛、マグネシウム、及び他の構成成分とそれらの合金を含むことができる。いくつかの実施形態では、シート、箔、又は層は、全体が活物質から形成される（例えば、亜鉛箔、アルミ箔、又はマグネシウム箔）。いくつかの実施形態では、活物質は、粉末の形態であり、スラリーとして基材上にコーティングされてもよい。スラリーは、結合剤及び／又は導電性材料などの、１つ以上の添加剤を含むことができる。いくつかの実施形態では、追加の不活性負極層は、集電器として機能し、活性負極金属上に配置されるか又はめっきされ得る。
導電性材料は、炭素粒子を含むことができる。炭素の例としては、Ｂｌａｃｋ Ｐｅａｒｌｓ ２０００（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．，Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡ）、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２（Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐ．，Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡ）、Ｓｈａｗｉｎｉｇａｎ Ｂｌａｃｋ（Ｃｈｅｖｒｏｎ，Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，ＣＡ）、Ｐｒｉｎｔｅｘ、Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ（Ａｋｚｏ Ｎｏｂｅｌ，Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩＬ）、及びＣａｌｇｏｎ ＰＷＡ（Ｃａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）が挙げられる。
結合剤の例としては、ポリエチレン粉末、ポリアクリルアミド類、ポートランドセメント及びフルオロカーボン樹脂（例えば、ポリフッ化ビニリデン及びポリテトラフルオロエチレン）が挙げられる。ポリエチレン結合剤の例は、商品名Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ ＨＡ−１６８１（Ｈｏｅｃｈｓｔ）として販売されている。好ましい結合剤には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子が挙げられる。一般に、正極の混合物は、約１０重量％〜４０重量％、好ましくは約３０重量％〜約４０重量％の結合剤を含む。
負極のスラリー混合物は、活物質、炭素粒子及び結合剤をブレンドすることにより形成された後、金網スクリーンなどの集電器上にコーティングされ、コーティング基材を形成する。コーティング基材は、乾燥及びカレンダ仕上げされて負極を提供してもよい。
負極は、比較的薄くてもよい。例えば、負極は、０．００５ｍｍ〜１ミリメートル（例えば、０．０１ｍｍ〜１ミリメートル、０．０５〜１ミリメートル、０．０１〜０．５ｍｍ、０．０１〜０．３ミリメートル）の厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、負極は、最大でも１ミリメートル（例えば、最大でも０．０７ｍｍ、最大でも０．５ｍｍ、最大でも０．３ｍｍ、若しくは最大でも０．１ｍｍ）及び／又は少なくとも０．００５ｍｍ（例えば、少なくとも０．０５ｍｍ、少なくとも０．１ｍｍ、少なくとも０．３ｍｍ、若しくは少なくとも０．５ｍｍ）の厚さを有する。負極は、電池に組み立てる前に所望の厚さに達するようにローラー間で圧延されてもよい。
正極６は、１つ以上の酸素還元触媒を含む。例えば、酸素還元触媒には、白金、金、銀、パラジウム、その他の白金族金属などの貴金属の微粒子、遷移金属酸化物、担持遷移金属ポルフィリン、フタロシアニン、重合ポルフィリン及び／又はフタロシアニン、上記の熱分解生成物、灰チタン石、及び／又はポリアクリロニトリルと共に熱分解されたコバルト塩（Ｃｏ−ＰＡＮ）が挙げられ得る。金属は、純金属、及び他の構成要素とそれらの合金を含むことができる。触媒は、例えば、カーボンブラック、グラファイト、炭、活性炭などの高表面積の導電性材料上に担持されるか、及び／又は疎水性結合剤（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ）とブレンドされてもよい。
いくつかの実施形態では、触媒又は触媒組成物は、基材（例えば、炭素／グラファイト含有繊維布、炭素／グラファイト系繊維布、又は金属スクリーンなどの集電器）の片側又は両側に（例えば、噴霧、はけ塗り、展布、インクプリント、塗装、及び／又はスピンコーティングにより）適用される。いくつかの実施形態では、正極は、触媒が空気に最大限に曝露されるように、セパレータに面していない側が触媒でコーティングされているだけである。コーティング及び／又は集電器は、多孔質であってもよい。触媒の適用後、コーティングされた集電器は、カレンダ仕上げ及び／又は乾燥され得る。いくつかの実施形態では、触媒は、集電器中に浸透される。
いくつかの実施形態では、正極は、１つ以上の酸素還元触媒を少なくとも０．０５ｍｇ／ｃｍ２（例えば、少なくとも０．１ｍｇ／ｃｍ２、少なくとも１ｍｇ／ｃｍ２、若しくは少なくとも３ｍｇ／ｃｍ２）及び／又は最大でも５ｍｇ／ｃｍ２（例えば、最大でも３ｍｇ／ｃｍ２、最大でも１ｍｇ／ｃｍ２、若しくは最大でも０．１ｍｇ／ｃｍ２）の添加量で含む。
いくつかの実施形態では、正極は比較的薄い。例えば、正極は、最大でも１ｍｍ（例えば、最大でも０．７ｍｍ、最大でも０．５ｍｍ、最大でも０．３ｍｍ、若しくは最大でも０．１ｍｍ）及び／又は少なくとも０．０５ｍｍ（例えば、少なくとも０．１ｍｍ、少なくとも０．３ｍｍ、若しくは少なくとも０．５ｍｍ）の厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、正極は、０．０５〜１ｍｍ（例えば、０．０５〜０．７ｍｍ、０．１〜０．５ｍｍ、０．３〜０．５ｍｍ、又は０．０５〜０．５ｍｍ）の厚さを有する。
いくつかの実施形態では、セパレータ６は、セパレータが１０９オーム・ｃｍより大きい固有抵抗値を有して漏れ電流を最小限に抑えるように、実質的に乾燥している。例えば、厚さ１０マイクロメートル及び面積１ｃｍ２を有する乾燥セパレータでは、抵抗は１０６オームより大きいことがある。セパレータは、例えば、製紙用パルプ、紙、ポリエチレンオキシド、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ゼラチン、寒天、デンプン、セルロース系親水性材料、その複合物、及び／又はそのブレンドなどの、１つ以上の材料を含んでいてもよい。１つ以上の材料は、その誘導体を含むことができる。セパレータ材料は、親水性であってもよく、独立膜又はフィルムであってもよく、及び／又は１つ以上の塩で浸透されていてもよい。いくつかの実施形態では、塩及び／又はセパレータ材料に加えて又はその代わりに、セパレータは、水と接触すると固体ポリマー電解質になるイオン交換膜を含む。
いくつかの実施形態では、セパレータは、親水性であり得る紙又はポリマー膜である。セパレータは、セパレータ材料を含む溶液を基材上でキャスティングすること、膜を提供するよう溶液を乾燥させること、及び基材から膜を除去することにより作製されてもよい。いくつかの実施形態では、セパレータはセパレータ材料の１つ以上の層を含み、層は同じでも異なっていてもよい。
セパレータは、１つ以上の塩を包含することができる。いくつかの実施形態では、塩には、カリウム、ナトリウム、カルシウム、アンモニウム、及び／又は亜鉛の、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、重硫酸塩、リン酸塩、第１リン酸塩、第２リン酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、重炭酸塩、フタル酸塩、及び／又は酢酸塩が挙げられる。皮膚との接触を要する用途では、非毒性塩、例えば、特定の重炭酸塩、ホウ酸塩、フタル酸塩、酢酸塩、リン酸塩（第１又は第２リン酸塩）を使用してもよい。いくつかの実施形態では、塩には、例えば、塩化リチウム、酢酸カリウム、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、塩化カルシウム、フッ化カリウム、硝酸亜鉛、及び炭酸カリウムなどの吸湿性の塩が挙げられる。
セパレータは、セパレータの独立膜を好適な時間の間１つ以上の塩の溶液に浸漬することにより、１つ以上の塩で浸透されてもよい。例えば、セパレータは、セパレータが溶液と平衡化するまで１つ以上の塩の溶液に浸され得る。いくつかの実施形態では、塩の溶液は、膜上に直接適用（例えば、噴霧、はけ塗り、注入）され、乾燥される。いくつかの実施形態では、セパレータ材料が塩の溶液に分散されるか、又は塩が事前調製されたポリマー溶液又はポリマー分散液に溶解され得る。次に、混合物は、フィルムとしてキャスティングされ、任意の残留水分又は溶媒を除去するように乾燥されてもよい。
いくつかの実施形態では、セパレータは、塩を少なくとも１０−５モル／ｃｍ２（例えば、少なくとも５×１０−５モル／ｃｍ２、少なくとも１０−４モル／ｃｍ２、若しくは少なくとも５×１０−４モル／ｃｍ２）及び／又は最大でも１０−３モル／ｃｍ２（例えば、最大でも５×１０−４モル／ｃｍ２、最大でも１０−４モル／ｃｍ２、若しくは最大でも５×１０−５モル／ｃｍ２）の添加量で含む。
セパレータは、比較的薄くてもよい。例えば、セパレータは、０．０５ｍｍ〜１ミリメートルの厚さを有することができる。例えば、セパレータは、最大でも１ｍｍ（例えば、最大でも０．７ｍｍ、最大でも０．５ｍｍ、最大でも０．１ｍｍ、若しくは最大でも０．０５ｍｍ）及び／又は少なくとも０．０１ｍｍ（例えば、少なくとも０．０５ｍｍ、少なくとも０．１ｍｍ、少なくとも０．５ｍｍ、若しくは少なくとも０．７ｍｍ）の厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、セパレータは、０．０１〜１ｍｍ（例えば、０．０１〜０．７ｍｍ、０．１〜０．５ｍｍ、０．３〜０．５ｍｍ、又は０．０５〜０．５ｍｍ）の厚さを有する。
いくつかの実施形態では、セパレータは、負極及び正極が互いから完全に物理的に分離されるように、負極と正極との間で重なり合う面積より大きな面積を有する。大きなセパレータは、負極と正極とが短絡する可能性を減らすことができる。いくつかの実施形態では、セパレータの１つ以上の端部は、水不透過性材料（例えば、水不透過性ポリマー、水不透過性テープ）で封止される。１つ以上の封止端部を有するセパレータは、１つ以上の封止端部のないセパレータより長時間水を保持できる。
図２を参照すると、いくつかの実施形態では、電極２２（例えば、負極又は正極）及び／又はセパレータ２４は、１つ以上の開口部２６を含む。例えば、負極、正極、及び／又はセパレータは、それぞれ独立して多孔質、穿孔状、織布、圧縮不織布、スクリーン状、網目状、又は発泡体の形態であってもよい。開口部は、セパレータへの液体の進入及びセパレータの総露出面積を制御することができる。開口部の寸法及び密度は、制限されない。むしろ、開口部の寸法及び密度は、電池の作動時間及び放電率の性能を制御するように選択され得る。いくつかの実施形態では、電池の開口部を含む側は、水分曝露時に作動の可能性が高まるように水の供給源に面する。
いくつかの実施形態では、負極及び正極は共に中実な層であり、任意の開口部を含まない。液体は、例えば、セパレータにおける液体の毛管現象を通じて、セパレータの１つ以上の端部に沿ってセパレータに導入されてもよい。いくつかの実施形態では、電極及び／又はセパレータは、セパレータ全体を通して液体を浸透させ得る微細なチャネルを含む１つ以上の多孔質領域を含む。いくつかの実施形態では、電極の一方又は両方とセパレータとの間に１つ以上の間隙が存在する。１つ以上の間隙は、液体をセパレータに流入させることができる。いくつかの実施形態では、電池及び／又はその構成要素（例えば、電極、セパレータ）は、セパレータに浸透するように放出され得る、水の封入ポケットを含む。例えば、水は、疎水性シリカビーズ内に封入されてもよく、又は貯蔵袋若しくは区画に収容されてもよく、要作動時に穴を開けて電池に引き込まれることができる。
いくつかの実施形態では、負極、正極、及びセパレータの１つ以上は、１つ以上の側面に１つ以上の接着剤のコーティングを更に含む。例えば、セパレータ及び電極用の水系接着剤には、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレンオキシド、ゼラチン、寒天、セルロース系親水性材料（デンプンなど）、及び／又はこれらのブレンドが挙げられる。一例として、負極はセパレータに面した側に接着剤のコーティングを含むことがあり、セパレータは両側に接着剤のコーティングを含むことがあり、及び／又は正極はセパレータに面した側に接着剤のコーティングを含むことがある。
組み立て時に、負極、セパレータ、及び正極の層は、負極及び正極がセパレータによって離隔され、互いに直接接触しないように、順次積み重ねられる。次に、積み重ねられた層は共に積層（例えば、接合）され、単一のシートを形成する。積層の条件は、セパレータの材料に依存する。例えば、ポリエチレンオキシド系のセパレータは、積み重ねた層を約５０〜７０℃の温度で共に圧縮することにより、負極及び正極の両方と積層され得る。いくつかの実施形態では、セパレータ材料（複数）及び塩を含む溶液又はスラリーは、負極及び／又は正極上にキャスティングされ、電極は、セパレータ材料がぬれている間に共に積層（例えば、接合）され得る。いくつかの実施形態では、塩は、セルロース系親水性接着剤などの接着剤含有溶液に溶解され、セパレータ（例えば、多孔質紙）の両側にはけ塗りされた後、正極と負極との間に配置されて単一シートの電池を提供する。いくつかの実施形態では、塩を含む接着剤含有溶液は、セパレータと接触する正極及び／又は負極の表面上にコーティングされ、セパレータ上に接着されて単一シートの電池を提供する。接着剤は、親水性の接着剤であってもよい。
いくつかの実施形態では、積層完了後、電池は炉内、デシケータ内、及び／又は真空下で乾燥される。乾燥は、例えば、６０±２０℃又は１１０±１０℃において、４０〜８０℃（例えば、４０〜６０℃、６０〜８０℃）、１００〜１２０℃（例えば、１００〜１１０℃、１１０〜１２０℃）の高温で行われてもよい。
図３を参照すると、組み立てられたとき、電池３０は、開口部３４を有する電極３２（例えば、負極）と、セパレータ３８により分離された対電極３６（例えば、正極）とを有する。電池は筐体を有しておらず（例えば、電池は筐体無しであり）、セパレータは電極間の重なり合う面積より大きくてもよく、その結果、電池は突出したセパレータの端部３８を有する。組み立てられた電池は、比較的薄くてもよい。いくつかの実施形態では、電池は、最大でも２ミリメートル（例えば、最大でも１．５ミリメートル、最大でも１ミリメートル、若しくは最大でも０．５ミリメートル）及び／又は少なくとも０．１５ミリメートル（例えば、少なくとも０．５ミリメートル、少なくとも１ｍｍ、若しくは少なくとも１．５ミリメートル）の厚さを有する。例えば、電池は、０．１５〜２ミリメートル（例えば、０．１５〜１．５ｍｍ、０．５〜１ｍｍ、又は０．５〜１．５ｍｍ）の厚さを有することができる。電池は、比較的小さな容積を有していてもよい。例えば、電池は、０．０１立方センチメートル程度（例えば、０．０５立方センチメートル程度、又は０．１立方センチメートル程度）の小さな容積を有することができる。
いくつかの実施形態では、電池は可撓性であり、折り畳まれ、巻き付けられ、湾曲され、又は曲げられる電池が望ましい用途に適用できる。例えば、電池は、皮膚（例えば、生体対象の皮膚）、衣服、又はオムツ上で使用するのに適用できる。電池は、最大数年又は電池が乾燥状態を維持している限り長い貯蔵寿命を有することができ、電池を水と接触させることにより必要時にのみ作動し得る。
使用時に、電池は水と接触されてもよく、その結果、１つ以上の塩を含む乾燥セパレータが水を吸収してイオン伝導性になり、負極と正極との間で結び付けられた電気化学反応が作動状態になる。外部電流を設定してもよい。したがって、いくつかの実施形態では、休止状態の電池は、作動すると水検出器及び電力供給装置の両方になる。電池は、負極と正極との間でイオン伝導性が存在するように、水がセパレータに接触し続けている限り機能することができる。いくつかの実施形態では、電池は複数回作動する。例えば、電池は、実質的に性能を維持しているが、水への曝露中に乾燥することがある。しかしながら、いくつかの実施形態では、何度も作動させると電池性能が低下することがある。理論に束縛されるものではないが、電池性能は、何度も作動させると反応生成物の蓄積及び内部抵抗の上昇により劣化することがあると考えられる。
いくつかの実施形態では、電池は、少なくとも１．１０Ｖ（例えば、少なくとも１．２Ｖ、少なくとも１．３Ｖ、少なくとも１．４Ｖ）及び／又は最大でも１．５Ｖ（例えば、最大でも１．４Ｖ、最大でも１．３Ｖ、最大でも１．２Ｖ）の公称電圧を有する。作動電圧は電流負荷に依存する。作動時に、電池は、直列又は並列に配置されてもよい。
特定用途の速度要件に応じて、実行時間（例えば、作動期間）、塩の種類、セパレータにおける塩の濃度、電極の厚さ、触媒濃度、開口部の範囲及び間隔、並びに電気化学反応を個別に選択しても又は調整してもよい。例えば、いくつかの実施形態では、水との接触時に高導電性電解質（例えば、高濃度を有し、高いか又は非常に低いｐＨを有する電解質）を提供し得る塩は、高速用途においてより好適である。いくつかの実施形態では、電池が生体対象と接触しているとき、セパレータは、弱酸性若しくは塩基性電解溶液又は中性溶液を生成する塩を含むことができる。いくつかの実施形態では、セパレータは塩を含まない。代わりに、セパレータと接触する水溶液が、電池の有効な電解質として機能するのに十分な塩を含んでいてもよい。溶液の量及び水溶液中の電解質の濃度は、電池の性能及び反応時間に影響を与えることがある。いくつかの実施形態では、実行時間が短い使い捨て用途では、安価な材料を使用して小さな表面積を有する比較的薄型の電池を作製することにより費用効果がより高くなる。
いくつかの実施形態では、電池は、比較的高エネルギー密度を有し、電池が水と接触している限り、及び／又は反応性の負極の活物質が利用可能であるとき、電流を供給することができる。例えば、中性水溶液と接触するとき、電池は、負極表面に非導電不動態フィルムが実質的に形成されて反応性の負極の活物質が利用できなくなるか、又はセパレータが乾燥するか、どちらかが先に起こるまで、電流を供給することができる。いくつかの実施形態では、不動態フィルムの形成は、所期の目的において電池性能に影響を与えない。例えば、電源が必要とされる時間は、比較的短時間（例えば、１〜１０分、１〜６分、１〜３分）である。
いくつかの実施形態では、電池は、液体水又は溶液を検出するための漏れ検出用途などの水検出に使用される。水との接触時に電流を生成することが、液体水又は溶液を検出するための信号として使用され得る。液体検出又は漏れ検出において、強吸湿性塩は、液体／溶液漏れが起きる前に周囲環境から水分を吸収することにより自己放電する可能性を増加させることがある。したがって、いくつかの実施形態では、漏れ検出目的の場合、電池は弱吸湿性塩又は非吸湿性塩を含む。
いくつかの実施形態では、電池は、水分（例えば、水蒸気）検出用途又は湿度検出用途などの水検出に使用される。１つ以上の吸湿性塩が、水分又は湿度検出用の電池に使用され得る。吸湿性塩の例には、塩化リチウム、酢酸カリウム、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、塩化カルシウム、フッ化カリウム、硝酸亜鉛、及び炭酸カリウムが挙げられる。吸湿性塩は水分を吸収することができ、電池は水分を含む周囲環境に曝露されると作動し得る。吸湿性塩は、異なる相対湿度値に反応するように選択されてもよい。吸湿性塩は、作動電池内の溶液が蒸発する可能性を低下させ得る。例えば、酢酸カリウム及び塩化リチウムは、周囲の相対湿度が約２０％未満まで下がらない限り、ぬれた状態のセパレータ中の水分含量を比較的長時間維持することができる。電池は、電池がぬれた状態を維持する限り、負極の活物質を消費するまで、又は負極の活物質が利用できなくなるまで、機能し続けることができる。いくつかの実施形態では、セパレータは、塩化リチウム及び／又は酢酸カリウムなどの１つ以上の吸湿性材料又は吸湿性材料のブレンドを含む。
いくつかの実施形態では、電池は、消費者製品内の水検出器（例えば、水分検出器又は漏れ検出器）の要素として使用される。水検出器は、構造設定において（例えば、漏れを感知しやすい位置に配置されたとき）、家庭において（例えば、配管工事で）、ヘルスケアにおいて（例えば、オムツ、包帯に埋め込まれて）使用され得る。いくつかの実施形態では、電池は、対象と直接接触しており、例えば、電流の生成によって（傷の上又はその付近などの）任意の生物学的液体の存在を報告することができる。いくつかの実施形態では、電流により生成された電流は、漏れ検出器／水分検出器に配置された無線通信装置に電力供給し、水分の存在を遠隔コンピュータ又は装置に送信することができる。
いくつかの実施形態では、電池は、使い捨て医療用具（例えば、妊娠検査薬、血糖値モニター）などの使い捨て又は単一エネルギー源を要する用途において、又は生体対象の皮膚を通じて薬物を送達するための装置に、電源として使用される。
実施例１−筐体のない電池
筐体のない電池を以下のように構成した。
負極を得るため、厚さが約０．１ｍｍに達するまで２つのステンレススチールローラー間でＺｎ箔（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ，Ｉｎｃ．）を加圧することにより圧延した。直径０．３２ｃｍ（１／８インチ）の穿孔を１ｃｍ２当たり３個の密度で作製した。穿孔処理したＺｎ箔を０．６４ｃｍ（０．２５インチ）×１．２７ｃｍ（０．５インチ）寸法の突出タブを有する１．９１ｃｍ（０．７５インチ）×３．１８ｃｍ（１．２５インチ）の矩形に切断した。
正極を得るため、Ｃｏ−ＰＡＮ触媒粉末をＳ．Ｇｕｐｔａ，．Ｄ．Ｔｒｙｋ，Ｉ．Ｂａｅ，．Ｗ．Ａｌｄｒｅｄ ａｎｄ Ｅ．Ｙｅａｇｅｒ，（１９８９）Ｊ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．１９，ｐ．１９〜２７に記載されるように調製した。Ｔｅｆｌｏｎが４０重量％のＴｅｆｌｏｎ分散材（Ｔ３０Ｂ，ＤｕＰｏｎｔ）と触媒粉末を混合し、疎水性不織グラファイト紙（Ｅ−ＴＥＫ）上に容易に広がるようにイソプロピルアルコールで希釈した。触媒混合物をグラファイト紙の片側に０．５ｍｇ／ｃｍ２の積載密度で噴霧した。乾燥後、得られた紙は、厚さが約０．１ｍｍであり、亜鉛電極とほぼ同じ寸法に切断した。
セパレータを得るため、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）（平均分子量〜１，０００，０００、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．）を水に溶解することにより、ＰＥＯの４重量％溶液を調製した。第１リン酸カリウム（Potassium phosphate-monobasic salt）を、ＫＨ２ＰＯ４対エチレンオキシドモノマー単位が１：４のモル比に達するまでＰＥＯ溶液に添加した。溶液混合物を、自動ドクターブレードキャスティング機を使用してプレート上にキャスティングした。乾燥後、セパレータフィルムは、厚さが約０．１ｍｍ、面積が２．５４ｃｍ（１インチ）×３．８１ｃｍ（１．５インチ）であった。
図４を参照すると、負極４２、正極４４、及びセパレータ４６は順次積み重ねられ、その結果、セパレータが負極及び正極を完全に分離した。セパレータは、負極及び正極の重なり合う面積を越えた突出端部４８を有した。正極は、空気に最大限に曝露するためにコーティング層が外側に面する（セパレータに面さない）ように配向された。次に、積み重ねた層を約６５℃でホットプレスすることにより共に接合し、筐体のない電池４０を得た。５％ ＮａＣｌ溶液の１ミリリットルを電池に振り掛け、定常状態における電圧対電流の測定を行った。得られた曲線を図５に示す。
実施例２−筐体のない電池を使用した分流抵抗器
電子回路５０をＣｌｅａｒｂｌｕｅ（登録商標）妊娠検査薬キットから調達した。回路を、図６に示されるように直列に（実施例１に記載したように構成した）２セル電池５２に接続した。電池電圧及び電流を図５の分流抵抗器を使用して取得し、図７に示した。マイクロコントローラユニットが動作順序を経て進行するとき、電池はほぼ一定の電圧を維持し、変化に富んだ電流を出力した。更に、電子回路上の発光ダイオードは、測定時間中点灯して完全に機能を維持した。
実施例３−アルミニウム空気電池
市販の空気正極（Ｄｕｒａｃｅｌｌ）の一片（１．５×３．８ｃｍ）を付属の紙セパレータを維持したまま切り抜いた。１Ｍ水性炭酸カリウムの０．５ｃｃのアリコートをセパレータ上に分配し、正極を１１０℃で３０分間、オーブン乾燥した。正極とほぼ同じ寸法のＡｌ泊（Ａｌｃａｎ、０．００２５４ｃｍ（０．００１インチ））の一片を切り抜き、直径０．３２ｃｍ（１／８インチ）を有する穴を１ｃｍ２当たり３個の密度で穿孔した。Ａｌ泊を、短い側の端部をＫａｐｔｏｍテープ（３Ｍ）で留めることにより正極及びセパレータに取り付け、Ａｌ空気セルを作製した。図８を参照すると、２つのセルは直列に取り付けられ、発光ダイオード（ＬＥＤ）に接続された。水１ｃｃを穿孔領域上に投与すると、図８に示されるようにＬＥＤが点灯した。一方で、測定された電流は、１．９〜２．５Ｖの電池電圧で５０〜１００ｍＡの範囲であった。
実施例４−亜鉛空気電池
実施例１に記載のように作製したＺｎ泊の一片と、第１リン酸ナトリウム緩衝液でぬらしたセパレータとを使用して、実施例３と同様の電池を構成し、同様に試験した。電池ＬＥＤ組立品は図９に示されており、ＬＥＤ作動時に測定された電流及び電圧はそれぞれ約３０ｍＡ及び２Ｖであった。
本発明の多くの実施形態が記載されてきたが、それにもかかわらず、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な修正を行えることが理解されるであろう。例えば、本明細書において薄型電池が記載されているが、より厚い電池を実現することができる。水を数日又は数ヶ月などの長期間にわたって徐々に利用できる、丸型セル、プリズム型セルも実現可能である。
他の実施形態は、以下の「請求項の範囲」内である。

Claims (15)

  1. 電池であって、
    亜鉛、アルミニウム、又はマグネシウムを含む負極と、
    導電性多孔質基材上に少なくとも１つの酸素還元触媒を含む正極と、
    前記負極と前記正極との間に配置され、親水性膜を含む、乾燥セパレータと、を含み、
    前記負極、正極、及びセパレータが、共に接合されて層状電池を形成し、前記負極、正極、及びセパレータが、前記層状電池内で更に包蔵されていない、電池。
  2. 前記負極が多孔質であり、好ましくは前記負極が、穿孔状、織布、圧縮不織布、スクリーン状、網目状、又は発泡体の形態である、請求項１に記載の電池。
  3. 前記負極が箔を含む、請求項１に記載の電池。
  4. 前記酸素還元触媒が、貴金属、遷移金属酸化物、遷移金属ポルフィリン、フタロシアニン、重合ポルフィリン、重合フタロシアニン、灰チタン石、ポリアクリロニトリルと共に熱分解されたコバルト塩（Ｃｏ−Ｐａｎ）、その熱分解生成物、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の電池。
  5. 前記酸素還元触媒が、前記多孔質基材の片側に存在する、請求項１に記載の電池。
  6. 前記多孔質基材が、グラファイト、カーボンブラック、炭素系布、グラファイト系布、及び金属スクリーンからなる群から選択される、請求項１に記載の電池。
  7. 前記酸素還元触媒が、カーボンブラック、グラファイト、炭、及び活性炭からなる群から選択される材料で更に担持される、請求項１に記載の電池。
  8. 前記多孔質基材が穿孔状である、請求項１に記載の電池。
  9. 前記乾燥セパレータが、カリウム、ナトリウム、カルシウム、アンモニウム、及び亜鉛の、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、重硫酸塩、リン酸塩、第１リン酸塩、第２リン酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、重炭酸塩、フタル酸塩、及び酢酸塩、塩化リチウム、酢酸カリウム、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、塩化カルシウム、フッ化カリウム、硝酸亜鉛、炭酸カリウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される塩を更に含む、請求項１に記載の電池。
  10. 前記塩が前記親水性膜に浸透されている、請求項９に記載の電池。
  11. 前記親水性膜が、ポリエチレンオキシド、紙、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ゼラチン、デンプン、寒天、これらの複合物、これらのブレンド、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載の電池。
  12. 前記親水性膜が独立フィルムである、請求項１に記載の電池。
  13. 前記セパレータが水不透過性材料で封止された端部を有する、請求項１に記載の電池。
  14. 前記電池が、前記負極と、前記正極と、前記セパレータとの間に配置された接着剤を更に含み、好ましくは前記接着剤がセルロース系親水性材料を含む、請求項１に記載の電池。
  15. 前記電池が水でぬれると作動する、請求項１に記載の電池。
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